Intégration des mécanismes de défaillance dans le modèle compact des transistors bipolaires à hétérojonction SiGe fonctionnant proche de l'aire de sécurité de fonctionnement

Failure mechanisms implementation into SiGe HBT compact model operating close to safe operating area edges

• Auteur / Autrice : Marine Couret
• Direction : Cristell Maneux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Begueret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristell Maneux, Jean-Baptiste Begueret, Fabien Pascal, Frédéric Aniel, François Marc, Nathalie Deltimple, Gerhard Fischer, Didier Céli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Pascal, Frédéric Aniel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Porteurs chauds

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Mots clés libres

TBH SiGe

Fiabilité

Modèle compact

Porteurs chauds

SiGe HBT

Reliability

Compact model

Hot-Carriers

Résumé

Afin de répondre au marché florissant des applications térahertz, les filières BiCMOS atteignent désormais des fréquences de coupure supérieures à 0,5 THz. Ces performances dynamiques sont obtenues grâce aux améliorations technologiques apportées aux transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) SiGe. Toutefois, cette montée en fréquence à entraîner un décalage du point de polarisation des transistors au plus proche, voir au-delà, de l’aire de sécurité de fonctionnement (SOA). En conséquence, de nombreux effets physiques « parasites » sont présents tel que l’ionisation par impact ou bien l’auto-échauffement pouvant potentiellement activer des mécanismes de défaillance et ainsi limiter la fiabilité à long terme du transistor. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une approche pour la description et la modélisation de la dégradation par porteurs chauds au sein des TBH SiGe fonctionnant aux frontières de la SOA. L’étude est basée sur une caractérisation approfondie en conditions statiques et dynamiques des transistors. Du fait de ses résultats de mesures, une modélisation de l’ionisation par impact et de l’auto-échauffement a été proposé permettant d’étendre, avec précision, le domaine de validité des modèles compact commerciaux (HiCuM). Au-vu du fonctionnement aux limites de la SOA, une campagne de vieillissement a été mise en place afin de mieux cerner l’origine physique de ce mécanisme de défaillance. De ce fait, il a été démontré que la dégradation par porteurs chauds entraîne la création de densités de pièges au niveau de l’interface Si/SiO2del’espaceur émetteur-base induisant un courant de recombinaison supplémentaire dans la base. Un modèle compact intégrant des lois de vieillissement (HiCuM-AL) a été développé prédisant l’évolution des paramètres électriques d’un transistor ou d’un circuit au travers d’un facteur de vieillissement accéléré. Afin de faciliter son utilisation dans des outils de conception assistée par ordinateur (CAO), les lois de vieillissement ont été adaptées en fonction de la géométrie et de l’architecture de l’espaceur émetteur-base. Le modèle a démontré sa robustesse et sa précision pour plusieurs technologies de TBH SiGe et, ce, pour différentes conditions de vieillissement. De plus, une étude de la fiabilité de plusieurs architectures de circuits intégrés a été réalisé menant à une localisation précise des régions les plus sensibles au mécanisme de dégradation par porteurs chauds. Le modèle HiCuM-AL ouvre ainsi la voie à des simulations optimisées pour la conception de circuits millimétriques en termes de performances, mais aussi de fiabilité à long terme.

In an ever-growing terahertz market, BiCMOS technologies have reached cut-off frequencies beyond 0.5 THz. These dynamic performances are achieved thanks to the current technological improvements in SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs). However, these increased performances lead to a shift of the transistors bias point closer to, or even beyond, the conventional safe-operating-area (SOA). As a consequence, several "parasitic" physical effects are encountered such as impact-ionization or self-heating which can potentially activate failure mechanisms, hence limiting the long-term reliability of the electric device. In the framework of this thesis, we develop an approach for the description and the modeling of hot-carrier degradation occurring in SiGe HBTs when operating near the SOA edges. The study aims to provide an in-depth characterization of transistors operating under static and dynamic operating conditions. Based on these measurements results, a compact model for the impact-ionization and the self-heating has been proposed, ultimately allowing to extend the validity domain of a commercially available compact model (HiCuM). Considering the operation as close as possible to the SOA, an aging campaign was conducted to figure out the physical origin behind such failure mechanism. As a result, it has been demonstrated that hot-carrier degradation leads to the creation of trap densities at the Si/SiO2interface of the emitter-base spacer which induces an additional recombination current in the base. A compact model integrating aging laws (HiCuM-AL) was developed to predict the evolution of the transistor/circuit electrical parameters through an accelerated aging factor. For ease of use in computer-aided design (CAD) tools, the aging laws have been scaled according to the geometry and architecture of the emitter-base spacer. The model has demonstrated its robustness and its accuracy for different SiGe HBT technologies under various aging conditions. In addition, a study on the reliability of several integrated circuits has been performed leading to a precise location of the most sensitive regions to the hot-carrier degradation mechanism. Thus, the HiCuM-AL model paves the way to perform circuit simulations optimizing the mm-wave circuit design not only in term of sheer performances but also in term of long-term reliability.